Inversor monofásico

Un inversor es un dispositivo eléctrico que transforma una entrada de CC en una salida de CA a un voltaje y frecuencia seleccionados, un proceso llamado conversión de CC a CA. Por ejemplo, los inversores se utilizan mucho en la interfaz entre las células solares y la red eléctrica, donde la energía de CC generada por la célula solar debe convertirse en CA para que sea compatible con la red. También son esenciales en los sistemas de alimentación ininterrumpida que almacenan energía en una batería, pero deben producir energía de 120 voltios y 60 hercios para los ordenadores. Un inversor funciona cortando su entrada de CC en una serie de pulsos para crear una onda oscilante. Dependiendo de la cantidad de filtrado, la salida puede ser una onda cuadrada, una onda pseudosinusoidal o una onda sinusoidal. Este video presentará los principios básicos de un inversor simple y demostrará su funcionamiento en un circuito simple.

La entrada de un inversor es una tensión continua constante. Un circuito inversor incluye interruptores electrónicos como transistores de efecto de campo de óxido metálico, transistores bipolares de puerta aislada o rectificadores controlados por silicio bajo el control de un reloj o generador de frecuencia. Cuando la señal de reloj enciende un interruptor, la entrada de CC se corta o se invierte su polaridad. Este proceso se denomina conmutación. El picado repetido crea una serie de pulsos u ondas cuadradas. Debido a que el período del reloj determina la frecuencia del pulso, cambiar la frecuencia de control del inversor cambia la frecuencia de salida en consecuencia. Un tipo de conmutación llamado modulación de ancho de pulso produce un flujo de pulsos con anchos variables que se pueden filtrar para aproximarse a una onda sinusoidal. La modulación de ancho de pulso es deseable porque las máquinas y los equipos eléctricos a menudo requieren energía con voltaje que varía sinusoidalmente para funcionar correctamente. Para las numerosas topologías de inversores, como los inversores de puente H, trifásicos y de varios niveles, el inversor de medio puente es un componente fundamental. El inversor de medio puente en este diagrama simplificado aplica su suministro de CC V a través de dos condensadores idénticos en serie, que actúan como un divisor de voltaje. Debido a que los condensadores tienen el mismo valor, tienen el mismo voltaje en sus terminales y el nodo entre ellos está en V in/2. Este punto es la tierra de CA para la carga. El inversor de medio puente utiliza dos interruptores en serie y dos relojes que no se superponen o están desfasados para conectar alternativamente el nodo entre ellos a V in y cero voltios. Para evitar un cortocircuito de la alimentación de CC, un interruptor debe apagarse antes de que se encienda el otro. La carga se conecta desde el punto entre los dos interruptores hasta el punto entre los dos condensadores. Cuando el interruptor A está encendido y el interruptor B está apagado, la carga está conectada a la entrada V y tiene un voltaje positivo de 1/2 V de entrada a través de ella, en relación con la tierra de CA. Cuando el interruptor A está apagado y el interruptor B está encendido, la carga está conectada a cero voltios y tiene un voltaje negativo de 1/2 V en relación con la tierra de CA. A medida que este proceso de conmutación se repite, la carga tiene alternativamente voltaje positivo y negativo a través de ella con una amplitud de 1/2 V pulg. En este caso simple, la alimentación de CA es una onda cuadrada. Ahora que se han explicado los conceptos básicos de un inversor monofásico, demostremos el dispositivo construyendo un inversor de medio puente de CC a CA con conmutación de onda cuadrada y luego observemos su funcionamiento.

En primer lugar, configure generadores de dos funciones para producir ondas cuadradas de 10 kilohercios que oscilan entre 0 y 10 voltios con un ciclo de trabajo del 48%. Sincronice las salidas para que estén desfasadas 180 grados entre sí. Cada generador de funciones controla de forma independiente uno de los dos interruptores de transistor de efecto de campo del inversor de medio puente. La onda cuadrada enciende el transistor cuando la salida es alta y lo apaga cuando la salida es baja o cero voltios. Debido a que el ciclo de trabajo es del 48%, el 2% restante del período es tiempo muerto entre los estados de encendido de los dos transistores. Durante este tiempo las salidas de ambos generadores de señal son bajas, impidiendo que los transistores conduzcan simultáneamente y evitando un cortocircuito de la alimentación de CC. Conecte un canal de un osciloscopio a la salida de cada generador de funciones. A continuación, confirme que las ondas cuadradas tienen la amplitud, la frecuencia y el ciclo de trabajo esperados. Las dos ondas cuadradas también deben tener fases opuestas, por lo que una es alta mientras que la otra es baja. Capture la pantalla del visor para su posterior referencia. Apague las salidas del generador de funciones, pero deje los generadores encendidos. Finalmente, configure la fuente de alimentación de CC a 15 voltios positivos, pero no la conecte a ningún circuito, luego apáguela.

Construya el circuito inversor de medio puente y use una resistencia de 51 ohmios para la resistencia de carga, carga R. Con la fuente de alimentación de CC apagada, conecte su salida al VDC de entrada del inversor. Conecte una sonda diferencial a través de la carga R para medir la salida V, luego conecte una sonda de alcance regular entre la salida alta, que es el pin siete, y la tierra. Establezca la escala del ámbito en 10x y la escala de la sonda en 20x. Escale todas las mediciones en consecuencia. Registre la escala de la sonda y el osciloscopio para tener en cuenta los factores faltantes más adelante. Conecte la salida de un generador de funciones a High in, que es el pin 10, y controla la conmutación del transistor superior. Conecte la tierra del generador de funciones a la tierra común del circuito. Conecte la salida del otro generador de funciones a Low in, que es el pin 12, y controla la conmutación del transistor inferior. Conecte la tierra del otro generador de funciones a la tierra común del circuito. Capture las formas de onda en High Out y V Out y mida el voltaje, la amplitud y la frecuencia de salida. Registre las lecturas de corriente y voltaje en la fuente de alimentación de CC. Repita las mediciones con una frecuencia de entrada de cinco kilohercios y observe la diferencia en la forma de onda de CA de salida. Finalmente, apague la fuente de alimentación de CC y desconecte los generadores de funciones del circuito.

El voltaje de salida de este inversor de medio puente es una onda cuadrada con una amplitud de 1/2 VDC y cierto tiempo muerto, lo que hace que el voltaje de salida sea cero durante aproximadamente el 4% del período de conmutación. Los inversores de onda cuadrada tienen una alta distorsión armónica total y rara vez se utilizan en aplicaciones reales. Sin embargo, son los componentes básicos de muchos inversores más avanzados con mejores esquemas de conmutación, como la modulación de ancho de pulso sinusoidal. Estos métodos más sofisticados no solo reducen la distorsión armónica total, sino que también alivian los requisitos de filtrado de armónicos no deseados en el voltaje de salida de CA.

Los inversores se usan comúnmente en la interfaz entre la energía de CC disponible y las aplicaciones, equipos y maquinaria de CA. Grandes rayos de células solares están produciendo energía en muchas áreas y contribuyen a la red eléctrica local. Sin embargo, las células solares producen energía de corriente continua, y se utilizan inversores para transformarla en corriente alterna con el voltaje y la frecuencia adecuados para la red. Muchas máquinas utilizan alimentación de CA, pero no a la frecuencia fija de 120 voltios RMS y 60 hercios de la fuente principal. La velocidad del rotor de un motor de inducción, por ejemplo, depende de la frecuencia de la corriente que lo impulsa. Los variadores de frecuencia utilizan la conversión de CA a CC para generar energía de CC interna. Los inversores, a su vez, utilizan esta alimentación de CC para generar energía de CA con voltaje y frecuencia ajustables, lo que permite controlar la velocidad y el par del motor de inducción.

Acabas de ver la introducción de Jove a los inversores monofásicos. Ahora debe comprender los conceptos básicos de la conversión de CC a CA y cómo se puede ajustar la frecuencia de la salida de CA cambiando la frecuencia de conmutación. Gracias por mirar.